9.2.2 Симметричный дифференциальный усилитель
Высокая температурная стабильность, большое входное сопротивление ОУ обеспечивается использованием во входной цепи дифференциального усилительного каскада. Рассмотрим подробнее работу такого усилителя.
Дифференциальный усилитель построен по принципу четырехплечего моста. Баланс моста не нарушается при изменении напряжения питания и одинаковом изменении сопротивлений. В дифференциальном усилителе рисунок 9.3 плечи моста представлены резисторами R1и R2 и транзисторами VT1 и VT2. Резисторы R1 и R2 должны быть равны по величине, а транзисторы VT1 и VT2 - одного типа и иметь одинаковые параметры и режимы работы. Выходной сигнал снимается с одной из диагоналей (коллекторы транзисторов), а питание подается на вторую диагональ. Усилитель имеет два входа.
Если входные сигналы равны нулю, то токи транзисторов одинаковы, одинаковы и потенциалы коллекторов ( а = б), т.е.
Uвых = а - б = 0
а б
Рисунок 9.3 - Симметричный дифференциальный усилитель
При повышении температуры или питающего напряжения токи транзисторов возрастут одинаково, потенциалы их коллекторов одинаково уменьшатся: выходное напряжение не изменится (Uвых = 0)
а = Uкэ1 + UR3 = Un – UR1;
б = Uкэ2 + UR3 = Un – UR2;
Uвых = а - б = Uкэ1 – Uкэ2.
Из этого следует, что Uвых не зависит от величины сопротивления R3. Для усилителя на VT1 и на VT2 сопротивление R3 создает ООС. Так как Uвых не зависит от R3, то его можно увеличивать, тем самым увеличивая глубину ООС, а увеличение ООС стабилизирует параметры усилителя. Любые одновременные изменения токов транзисторов вызовут увеличение падения напряжения на R3 и, следовательно, уменьшение напряжения Uбэ1 и Uбэ2, которые стремятся вернуть коллекторные токи к исходному состоянию. Таким же образом дифференциальный каскад реагирует на синфазные сигналы и помеху, т.е. входные сигналы, которые одновременно (без сдвига фаз) и одинаково (Uвх1 = Uвх2) действуют на оба входа.
При подаче сигнала на первый вход (второй вход соединен с общей шиной) увеличивается ток первого транзистора - это вызовет уменьшение а и одновременное увеличение б, так как от тока Iк1 на R3 создается напряжение закрывающее VT2. При этом выходное напряжение Uвых = а - б будет отрицательным, т.е. в противофазе с входным. В связи с этим, вход 1 называют инвертирующим. При подаче сигнала на второй вход (первый вход соединен с общей шиной) б - уменьшается, а - возрастает, выходное напряжение будет в фазе с входным и поэтому второй вход называют неинвертирующим.
Если входные сигналы на каскад подаются в противофазе, например, Uвх1 = +Uвх, а Uвх2 = -Uвх, то в этом случае ток Iк1 возрастает на I, а Iк2 уменьшается на I; сумма этих токов в R3 останется неизменной. Поэтому обратная связь не уменьшает изменение токов и каждое плечо ведет себя как обычная схема с общим эмиттером. При этом а понижается, а б - повышается, т.е. данная схема реагирует на разность входных сигналов, почему каскад и называется дифференциальным.
Для выполнения требования симметричности характеристики Uвых = f(Uвх) и облегчения процесса выравнивания исходных потенциалов (в режиме покоя) относительно общей шины питание дифференциальных каскадов осуществляют от двух разнополярных напряжений. Так как Un2 зафиксировано по величине, то это ограничивает величину R3, из-за трудностей в обеспечении режима работы транзисторов по постоянному току
Uбэ = Un2 - (Iэ1 + Iэ2)R3.
В связи с этим, в качестве R3 в дифференциальных усилителях чаще всего используют динамическую нагрузку, обладающую малым сопротивлением постоянному току и большим – переменному. Динамическая нагрузка выполнена на VT3, R5, VD (рисунок 9.3б). Резисторы R2 и R3 небольшой величины служат для симметрирования каскада и подбираются в процессе регулировки.